Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию (1027508), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Большинство СТМ могут быть использованы и для нанолитографии, если онисодержат устройства для генерации повышенных пульсаций тока. В случаеАСМ он должен работать в контактном режиме. Кроме того, необходимымусловием является контролируемое перемещение острия зонда по схеме,задаваемой оператором.Однако даже усовершенствованные конструкции атомно-силовыхмикроскопов оказывают все же достаточно большое давление на объект,что может привести к загрязнению или повреждению последнего. Поэтомуразработано новое семейство сканирующих микроскопов с зондамиостриями, среди которых основным следует считать лазерный силовоймикроскоп. «Сила», которую чувствует этот микроскоп, – это малая силапритяжения между исследуемой поверхностью и зондом (кремниевым иливольфрамовым), находящимся от нее на расстоянии от 2 до 20 нм.
Онаскладывается из силы поверхностного натяжения воды, конденсирующейся в зазоре между острием, и слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Притягивающая сила очень мала – в 1000 раз меньше, чем межатомное отталкивание в атомно-силовых микроскопах. При перемещении острие вибрирует счастотой, близкой к резонансной. Лазерно-силовой микроскоп регистрирует силу межатомного взаимодействия по ее воздействию на динамику вибрирующего зонда.В АСМ в качестве сенсора использованы силы отталкивания (примерно 10-9 Н), которые возникают при приближении зонда к поверхностина межатомное расстояние и являются результатом взаимодействия волновых функций электронов атомов зонда и образца. Последнее достижение вэтой области – создание лазерного силового микроскопа, который измеря112ет силы отталкивания до 10-11 Н (в АСМ эти силы ограничены 10-9 Н) нарасстоянии до 20 нм, с разрешением порядка 5 нм.Изменение амплитуды измеряется с помощью сенсорного устройствана базе лазера.
Для этого используется другой принцип микроскопии – интерферометрия. Лазерный луч расщепляется на два: луч сравнения, который отражается от стационарного зеркала или призмы, и зондирующийлуч, который отражается от обратной стороны острия. Два луча складываются и интерферируют, порождая сигнал, фаза которого чувствительна кизменению длины пути, пройденного зондирующим лучом. Таким образом, интерферометр измеряет вибрации кончика острия амплитудой до10-5 нм. Рассмотренный принцип позволяет лазерно-силовому микроскопурегистрировать малые неровности рельефа величиной до 5 нм (около 25атомных слоев).Техника сканирующих зондов располагает возможностями оптической микроскопии.
Рассматриваются способы перенесения в микроскопиюближнего поля таких чисто оптических эффектов, как поляризационныйконтраст, фазовый контраст, методы усиления контраста и т.д. Существующие сканирующие микроскопы с зондами-остриями позволяют с разрешением в несколько нанометров «увидеть» мир молекул или микросхем,а в совокупности со средствами оптической микроскопии эта же техникараскроет окно в этот мир в свете, тенях и цвете.Следует упомянуть и еще об одном, совершенно новом методе –протонной микроскопии, или протонной радиографии. В основе лежиттак называемый эффект теней.
В одном из вариантов кристаллический образец «освещают» параллельным пучком протонов, высокая энергия которых (сотни или даже тысячи кэВ) позволяет им проникнуть чрезвычайноблизко к ядрам атомов, составляющих кристаллическую решетку образца.Рассеиваясь на ядрах в различных направлениях, протоны «продираются»сквозь кристалл, частично выходят из него и засвечивают расположеннуюс «освещаемой» стороны образца фотопластинку, где получается специфическая сетка ярких линий с пятнами разных размеров.
Эта картина напоминает картины дифракции электронов или рентгеновских лучей на кристаллах. Однако подобие это чисто внешнее, т.к. принципиально различнымеханизмы их получения. В первых двух случаях происходит волновоевзаимодействие, тогда как при протонографии – корпускулярное взаимодействие протонов и ядер.
Это отличие дает определенное преимущество:повышая энергию протонов, мы увеличиваем глубину их проникновения в113образец, не ухудшая при этом (что наиболее важно) способность «видеть»атомы.Физика взаимодействия протонов с ядрами очень сложна, и мы останавливаться на ней не будем. Отметим лишь возможности протонографии.По протонограмме можно определить тип структуры кристалла, кристаллографическую ориентацию, углы между кристаллографическими осями.Ее вид чрезвычайно чувствителен к малейшим искажениям (деформациям)кристаллической решетки. Протонограмма также регистрирует точечныедефекты. Важным преимуществом протонографии является возможностьпослойного анализа микроструктуры кристаллических образцов без ихразрушения: повышая энергию протонов, можно проникать все глубже иглубже.
Послойное исследование можно проводить и не меняя энергии.Для этого перед фотопластинкой помещают металлическую фольгу определенной толщины. Протоны, вышедшие из глубины образца и потерявшие таким образом значительную часть энергии, будут поглощаться фольгой, тогда как протоны, рассеянные вблизи поверхности, пройдут сквозьфольгу и попадут на пластинку. Последовательно меняя толщину фольги,можно получить серию протонограмм с различной глубины образца и установить, например, распределение по глубине каких-либо дефектов.
Приэтом образец не разрушается.2.5. Спектроскопия в нанометрологииСпектроскопия – один из основных методов исследования наночастиц. Применяются различные методы спектроскопии: оже-спектроскопия,фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия, раман-спектроскопия, фотолюминесцентная и электролюминесцентная спектроскопия, дифракциямедленных электронов, а также атомные спектральные измерения (АСИ).Оже-спектроскопия основана на эффекте, открытом в 1925 годуфранцузским физиком Пьером Оже в инертных газах. Суть этого явления втом, что если на одном из внутренних уровней энергии атома по каким-топричинам создается вакансия – дырка, то она быстро заполняется другимэлектроном атома, а лишняя, выделяющаяся при этом энергия передаетсяеще одному электрону, который и «выстреливается» из атома (ожеэлектрон).
Энергия этих электронов определяется природой испускающихатомов, а число электронов пропорционально количеству таких атомов.Поэтому оже-спектроскопия позволяет проводить одновременно качест114венный и количественный анализ исследуемого вещества. Оже-электроныимеют энергию, которой едва хватает для прохождения несколькихангстрем твердого вещества. Следовательно,они несут информацию именно о приповерхностных слоях кристалла.Таким образом, оже-эффект – это автоионизация возбужденного атома путем эмиссии электронов из атома при наличии в атомевакансий.
Первичную вакансию в поверхностных атомах можно создать электронным,фотонным и ионным пучками. Соответственно различают электронную, фотонную и ионную оже-спектроскопии поверхности, перваяиз которых получила наибольшее распространение. Достигнутая сейчас чувствительностьэтого метода позволяет регистрировать, например, адсорбированные на поверхностиатомы в количествах, не превышающих долипроцента от общего числа поверхностныхатомов.Растровые оже-электронные микроскопы (РОЭМ) – приборы, в которых при скаРис. 2.43.
Схема растровогонировании электронного зонда детектируются оже-электронного микрооже-электроны из глубины объекта не более скопа (РОЭМ):0,1-2 нм. При такой глубине зона выхода оже- 1 – ионный насос; 2 – катод;электронов не увеличивается (в отличие от 3 – трехэлектродная элекэлектронов вторичной эмиссии) и разрешение тростатическая линза; 4 –прибора зависит только от диаметра зонда. многоканальный детектор;5 – апертурная диафрагмаПрибор работает при сверхвысоком вакууме объектива; 6 – двухъярусная(10-7 – 10-8 Па). Его ускоряющее напряжение отклоняющая система дляоколо 10 кВ. На рис.
2.43 представлено уст- развертки электронного зонройство РОЭМ. Электронная пушка состоит из да; 7 – объектив; 8 – наружгексаборид-лантанового или вольфрамового ный электрод цилиндричетермокатода, работающего в режиме Шоттки, ского зеркального анализатора; 9 – объекти трехэлектродной электростатической линзы.Электронный зонд фокусируется этой линзой и магнитным объектом, вфокальной плоскости которого находится объект. Сбор оже-электронов115производится с помощью цилиндрического зеркального анализатора энергии, внутренний электрод которого охватывает корпус объектива, а внешний примыкает к объекту. С помощью анализатора, дискриминирующегооже-электроны по энергиям, исследуется распределение химических элементов в поверхностном слое объекта с субмикронным разрешением. Дляисследования глубинных слоев прибор оснащается ионной пушкой, припомощи которой удаляются верхние слои объекта методом ионно-лучевоготравления.Дифракция медленных электронов основана на фундаментальномсвойстве материи – волновом характере движения частиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
